Base physique IRM Séquences « Echo de Spin » et « Echo de Gradients »

1. Base physique IRMSéquences « Echo de Spin  » et « Echo de Gradients » Magnetic Resonance Imaging (MRI) Kernspintomography Jacques Felblinger UHP- INSERM U947j.felblinger@chu-nancy.fr

2. Bibliographie http://www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN - IRM pas à pas • - Guide des technologies de l’imagerie médicale, Masson, Dillenseger/Moerschel • - Collection d'imagerie radiologique, Comprendre l'IRM, Masson, B Kastler • MRI from Picture to Proton, , Cambridge, McRobbie et al.

3. Bibliographie • - Handbook of MRI, Pulse Sequences, Bernstein et al • MagneticResonance Imaging, Springer, M Vlarrdingerbroek • MRI, physicalPrinciples and Sequence Design, Haake et al

4. ISMRM ESMRMB JMRI et MRM Le Web www.imaios.com/fr/e-Cours/e-MRI/RMN GRAMM devient SFRMBM

5. Comment comprendre l’IRM ? • Physique de l’IRM • Comprendre d’où vient le signal • Relaxation T1, T2, T2* • Echode spin (spin echo) • Echode gradients (Gradient Echo) • 2) Formation de l’image • Excitation d’une coupe • Codage en fréquence • Codage en phase • « vrai » séquence IRM • 3) Contraste en IRM

6. Comment ça marche? Champ magnétique (le plus grand possible): 1,5T = 30 000 x Champ terrestre Émetteur - Récepteur Radiofréquence

7. Principe de base de l’IRM Etape 1 Etape 2 Etape 3 Champ magnétique intense (supraconducteur) Apport d’énergie radiofréquence, Absorption d’énergie dans le corps Récupération (relaxation), Réception d’énergie radiofréquence g n = B * 2p u = fréquence de résonance (Hz) g = rapport gyromagnétique (fonction de l'atome) B standard =1.5 Tesla, u= 64 MHz = 64 000 000 Hz

8. Onde radiofréquence Émetteur: toutes les fréquences de la bande FM Accord avec le récepteur (sélection fréquence) L’IRM utilise le même type de fréquence que le poste radio.

9. Champ magnétique additionel Champ magnétique statique Fréquence = 64 000 000 Hz Oreille droite: 1,5T + 1,5mT Fréquence = 64 064 000Hz Oreille gauche: 1,5T -1.5mT Fréquence = 63 936 000Hz = codage spatial -1,5mT -64000Hz +1,5mT +64000Hz 63 936 000Hz 64 064 000Hz 1,500 Tesla 64 000 000Hz

10. Champ magnétique additionnel Champ magnétique statique (Supra-conducteur) Spires supplémentaires gradient de champ (axe z)

11. 1ère expérience IRM (1) Bo n Générateur + Amplificateur + Antenned’émission n Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception Antenne de réception

12. 1ère expérience IRM (1) Bo n Générateur + Amplificateur + Antenned’émission n Numérisation + Amplificateur + Antenne de réception t Emission B1 (RF) Free Induction Decay (FID) t Réception Sequence IRM (Pulse Sequence Diagram)

13. 1ère expérience IRM (2) t Emission B1 (RF) Free Induction Decay (FID) t Réception Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2 e-t/T2 Fréquence du signal = Fréquence de résonance Signal = ρ . sin (ωt). exp(-t/T2) B0 homogéne

14. Mz Mxy Longitudinal, T1 y e-t/T2 x Transversale, T2

15. Origine de la chute plus rapide du signal fréquence 1 y fréquence 2 fréquence 1 fréquence 2 x Différentesfréquences = sommevectorielle chute vite T2 Différentesfréquences = liées à la structure moléculaire (liées à la qualité du champ magnétique)

16. Relaxation T2 (amplitude du signal mesurée) Signal IRM: Free Induction Decay (FID), Transversale interaction spin-spin constante de temps T2 Mz=exp(t/T2)) T2<<T1 T2=50 ms 5*T2= 98% T2 graisse=80ms T2 muscle=45ms T2 LCR=160ms 63% 37% Plus de signal

17. Relaxation T1 (mémoire Mz) Excitation puis retour à l'équilibre (spin-réseau) constante de temps T1, Longitudinale Mz=Mo(1-exp(t/T1)) T1=500 ms 5*T1= 98% T1graisse=260ms T1muscle=870ms T1 LCR=2400ms Retour À l’équilibre 63%

18. Révision (B0, B1, T1, T2) Aimant (magnet): dispositif produisant le champ magnétique principal (appelé B0) = 1,5T Antenne (coil) : Élément utilisé en IRM pour l’émission et le recueil du signal. ( tête, cou, abdomen, pelvis, membre, etc..) Champ Radiofréquence (RF): Onde radiofréquence similaire à celles utilisées pour la radiodiffusion (appelé B1) 64MHz à 1,5T 128MHz à 3T • pour retour à l’équilibre • Constantesde Temps T1 et T2 • T1 = relaxation longitudinale • T2 = relaxation transversale • T1 et T2 = fonctionde la structure moléculaire

19. (en pratique) Homogénéité de B0 B0= 1,5T -> fréquence de Larmor = 64 000 000Hz Zone homogène B0 • - B0 est homogène seulement dans une sphère de 50 cm au milieu de l’aimant. • homogénéité en ppm (décalage 1/1000 000, quelques mT = quelques Hz) • Conséquence: il faut toujours déplacer la région d’intérêt au milieu de l’aimant • Réglage de homogénéité = SHIM (pour les séquences sensibles, pour les extrémités)

20. (en pratique)B1 (antenne) perpendiculaire à B0 B0 B0 B0 dans l’axe du tunnel Par définition: axe z Axe antenne dans Plan perpendiculaire B0

21. Extremities Spine Antennes dédiées Torso-pelvis Coeur Extrémités

22. Antennes volumiques Antennes de surface

23. Orientation B0 et B1 Comment placé une antenne cou Idéalement? B0 Signal?

24. 90° ? Angle de bascule (flip angle) TransmitRF Energie t Emission B1 (RF) ReceiveRF t Réception 90° 180° 0° Angle de bascule α =90° le plus de signal, bascule dans le plan xy

25. Angle de bascule (flip angle) Angle de bascule en degrés 90° = max signal, mais on peut appliquer moins une impulsion de 90°, passage plan transversal Plus l’angle est petit, moins d’énergie est transmise Plus vite on peut recommencer une nouvelle mesure Mz Mxy

26. Révision (B0, B1, angle de bascule) B0 = champ magnétique (permanent) Homogénéité = sphère de 40-50 cm de diamètre Réglage du champ magnétique = Shim (bobine additionnelle) B1 = Champ radiofréquence (impulsion courte ms) Antenne émission ou réception perpendiculaire à l’axe de B0 Angle de bascule (amplitude + durée de l’impulsion radiofréquence) = énergie Angle de bascule = 90° = bascule dans plan transversal B0

27. Echo de Spin (Spin Echo) 180 90 t Emission B1 (RF) écho FID t Réception TE/2 TE/2 pas phasé phasé déphase progressif Phasé ECHO Déphasé Rephasage progressif Inversion déphasage

28. echo echo z TE/2 TE/2 TE/2 TE/2 M b c e f g Temps y O d x Echo de spin 180° 90° RF Signal b c d e f g

29. Cas 1 (idéal) Champ Magnétique parfait: décroissance T2 B0 homogéne e-t/T2 Cas 2 (réalité) Champ Magnétiqueimparfait, Molécule complexes: décroissance T2* T2*<T2 B0 non homogéne e-t/T2* B0

30. Cas 2 (réalité) Champ Magnétiqueimparfait, Molécule complexes: décroissance T2* T2*<T2 B0 non homogéne e-t/T2*

31. (ingrédients d’une séquence)Echo de Spin 180 90 Echo t TE/2 TE/2 Bascule dans plan xy Déphasage Inversion Déphasage Echo Lecture TE = temps d’écho Annule les inhomogénéités de B0!!! (défauts) Donc atténuation T2 pas T2*

32. Echo de gradients t + + - B0 φ t B0 x FID T2* écho t

33. TE TE echo echo z M b c d e f y O x Echo de Gradient a RF Signal Gradient b c d e f Temps

34. (ingrédients d’une séquence) Echo de Gradient α Echo t TE/2 TE/2 Bascule pas dans le plan xy Déphasage Rephasage Par gradient Echo Lecture TE = temps d’écho 1) Restesensible aux inhomogénéités de B0!!! (défaut) T2* pas T2 2) Beaucoup plus rapidequ’unséquenceécho de spin

35. Comment comprendre l’IRM ? • Physique de l’IRM • Comprendre d’où vient le signal • Relaxation T1, T2, T2* • Echode spin (spin echo) • Echode gradients (Gradient Echo) • 2) Formation de l’image • Excitation d’une coupe • Codage en fréquence • Codage en phase • « vrai » séquence IRM • 3) Contraste en IRM

36. Codage en phase et en fréquence Coupe Séquence= sélection coupe + codage k Z Image brute puis transformée de Fourier Espace k (matrice) Image (matrice) Plan Y TF Phase X Fréquence

37. Remplissage espace k Coupe Coupe Excitation Excitation X lignes de phase…. coupe + RF Codage phase Préparation Préparation Acquisition Acquisition lecture

38. Excitation d'une coupe (slice) Sélection de la coupe fréquence 10 mT/m Excitation Réception Résonance Transformée de Fourier Pas de tranche parfaite……

39. Excitation d'une coupe (slice) 1er impulsion Radiofréquence + Gradient de champ magnétique (sélection de coupe, slice gradient) = Résonance seulement sur une coupe (slice) Impulsion: sinc=sin(x)/x Impulsion courte (<ms) MAIS, ilfautappliquer le gradient de champ magnétique

40. Gradient = déphasage t Gradient de champ magnétique = fréquence de précession différente Pendant durée du gradient Déphase du signal lié à la localisation Pas de gradient t y x

41. Gradient de phase coupe Codage en phase Position de la ligne de phase F-dF F+dF Grad

42. Gradient = déphase à compenser t Emission B1 (RF) Free Induction Decay (FID) t Réception Gradient coupe Gradient de champ entraine un déphasage Gradient Coupe+ refocalisation pour “rattraper” les déphasages du gradient de sélection de coupe

43. coupe Gradient de lecture (fréquence) fréquence fo+df IRM Acquisition d’une ligne de l ’espace k fo-df Grad

44. Remplissage espace k Coupe Coupe Excitation Excitation X lignes de phase…. coupe + RF Codage phase Préparation Préparation Acquisition Acquisition lecture

45. RF Gz (coupe) Gy (phase) Gx (lecture) Signal TE/2 TE/2 TR Une vrai séquence Echo de spin

46. Révision (Séquence) Séquence = Excitation (sélection du plan de coupe) + déphasage (codage 1) + lecture (codage 2) Remplir le plan de Fourier, nb de ligne de phase = temps = nombre de TR Un gradient de champ magnétique = déphasage du signal Compensation de chaque gradient de champ magnétique par un gradient inverse TR = répétition, Matrice = temps d’acquisition

47. Séquence Echo de Spin TR 90 180 Echo ligne 90 180 Echo ligne TE Séquence Echo de Gradient TR α Echo ligne α Echo ligne α Echo ligne α Echo ligne TE

48. Séquence Echo de Spin/Echode Gradient TR 90 180 Echo ligne 90 180 Echo ligne Spin Echo: Beaucoup de temps d’attente Echo de Gradients: Remplissage rapide de l’espace k TR α Echo ligne α Echo ligne α Echo ligne α Echo ligne

49. Séquence Echo de Spin/Echode Gradient TR 90 180 Echo 90 180 Echo Energie Radiofréquence: 180° très énergétique! (SAR) TR α Echo α Echo α Echo α Echo

50. Révision (TR, TE, Spin Echo, Echo de Gradient) TR =temps de répétition = temps entre deux acquisitions successives TE = temps d’écho = temps auquel l’écho est généré = signal mesurable Angle de bascule = 90° - 180° pour une séquence spin écho, <90° en écho de gradients Echo de Spin = séquence de base, corrige les inhomogénéités de B0, lente Echo de gradients = séquence rapide, ne corrige pas les inhomogénéités de B0 Fast Spin Echo= 90° - 180° -180°- 180° -180°……. Plusieurs lignes